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关于宇宙的10件奇异之事


宇宙是一个非常奇怪的存在。尽管现在人们已经普遍接受了诸如量子论、相对论和日心说这样的开创性理论,但科学仍在继续向我们展示,宇宙中还有许多让你难以置信甚至不能理解的事。

10.负能量(Negative Energy

从理论上讲,物质所能达到的最低温度被称为“绝对零度”(absolute zero),约等于摄氏温标零下273.15°C,在这样的温度下,构成物质的所有粒子完全停止运动。但实际上你不能将任何物质冷却至这个温度,因为在量子力学中,每个粒子都拥有本底能量,人们称其为“零点能”(zero-point energy),物质的温度绝不可能低于其下。值得注意的是,并不是只有粒子才有本底能量,真空中也存在这种能量,被称为“真空能”(vacuum energy)。我们可以做一个简单的实验来证明这种能量的存在:在真空环境下放入两个金属板, 再将它们靠拢,它们就会相互吸引。这是因为金属板之间的能量只有在一定的频率之下才能产生共振,但金属板周围的“真空能”却几乎可以在任何频率下产生共振。由于金属板周围的能量强于金属板之间的能量,因此两个金属板就被周围能量推着靠近对方。两个金属板离得越近,这种能量就越强。当金属板之间的间隙约为10纳米时,就会产生一个大气压的压力,这种效应被称为“卡西米尔效应”( Casimir effect)。由于金属板之间的能量下降到正常的“零点能”之下,因此这个空间就拥有了“负能量”,据称“负能量”有一些非同寻常的性质。

首先,在负能量真空中,光速实际上要快于寻常真空中的光速,也许在未来的某一天,人们在负能量真空罩中的速度可以超越光速。其次,负能量还可以用以维持“虫洞”(wormhole)的存在,因为从理论上讲,可穿越的虫洞虽无处不在,但却转瞬即逝,需要负能量的介入才能持续打开。此外,黑洞蒸发也是由真空中的负能量引起的,在负能量真空中,粒子对不断地产生和湮灭,这并不违背“质量守恒定律”,因为一个粒子一经产生,即会被另一个反粒子所消灭。但如果这两个粒子在黑洞“事件视界”(event horizon)以内,那么其中的一个粒子可能会向黑洞之外漂移,另一个则会被吸入黑洞。这就意味着它们之间不能互相抵消,那这两个粒子就会成为负能量。负能量粒子进入黑洞之中,非但不能使黑洞质量有所增加,反而还会减少黑洞质量,随着时间的推移,这样的粒子将会完全蒸发掉黑洞。因为这个理论最先是由霍金(Stephen Hawking)提出,因此在这个过程中散发出去的粒子(即没有被黑洞吸收的粒子)就被称为“霍金辐射”(Hawking radiation)。霍金辐射有机结合了广义相对论和量子学,是霍金迄今为止最大的科学成就。

9.参考系拖拽(Frame Dragging

爱因斯坦在广义相对论中预言,处于运动状态的大质量物体会对周围的时空产生“拖拽”现象,导致周围的物体也被“拖拽”着运动起来。沿直线运动或不停旋转着的大质量物体都会产生这样的效应,尽管这样的效应非常微小,但已有实验证实了它的存在。2004年,美国国家航空航天局发起了一个引力探测器B(The Gravity Probe B)实验,以测量地球周围的时空扭曲。尽管实验遭遇的外在干扰比预想更大,但“参考系拖拽”效应的存在还是得到了验证,测量的不确定性为15%,而进一步的分析有望降低测量的不确定性。

实验结果与理论预言极为接近:由于地球的旋转,探测器以每年约2米的速度被拖拽着远离自身轨道,这种效应的产生仅仅是因为地球的巨大质量扭曲了地球周围的时空。探测器本身并不能感受到这种外在“拉力”造成的加速,因为这股“拉力”并未直接作用于探测器,而是作用于探测器运行的时空上,这与桌子的运动有着异曲同工之处,桌子在动,并不是由于桌子本身在动,而是桌子下面的地毯被拖拽着运动。

8.同时的相对性(Relativity of Simultaneity

“同时的相对性”理论指的是两个事件发生的同时性并不是绝对的,而要取决于观察者的运动状态。这个奇怪的理论由相对论推导而出,适用于所有相隔一段距离的事件。例如,如果同时在火星与金星上点燃烟花,那在太空中飞行的观察者就会说这两处的烟花是被同时点燃的(假设两处的光同时到达他的眼睛),然而另一个地方的观察者则会说火星或金星上的烟花先被点燃。这是因为他们站在不同的观测点,采用不同的参照物,由此导致他们各自不同的视角。并且,由于他们的观测结果都是相对的,因此所有观察者都不能声称自己的看法绝对正确。

这个理论会导致一些非同寻常现象的出现。比如,观察者可能会先于原因看到结果(如先目睹炸弹爆炸,然后才看到有人点燃引火索)。但是,一旦观察者先看到结果,那么原因的发生就不能被干涉,除非观察者的速度超越光速,这也是人们认为物体速度不能超越光速的重要原因,这类似于时空穿越,你可以在结果发生之后再去改变原因,但如果这样的话,那一切都变得毫无意义。

7.黑弦(Black Strings

长久以来,物理学上一直存在着这样一个未解之谜:引力如何与诸如电磁力的其他基础力相联系?1919年,人们首次提出的一个理论表明,即使宇宙在四维时空之外还存在一个额外维度,引力仍然存在于先前的四维时空(即三维空间加一维时间)之内,可这个四维空间却会朝第五维空间弯曲,如此一来,在这个弯曲过程中就会有其他的基础力产生。但是,由于第五维空间不能为我们所看见或探测到,因此就有人认为第五维空间是蜷缩起来的。这个理论最终催生了弦理论的出现,并且现在仍是弦理论分析的关键所在。

这个额外维度如此之小,只有诸如粒子类的微小物体才能游移其中。并且由于它可以自我卷曲,因此游移其上的粒子在转了一圈之后又回到原地。但是,第五维空间的黑洞却变得更为复杂。黑洞扩展到第五维空间就变成了“黑弦”,不如正常的四维黑洞稳定(这忽略了四维黑洞最终会蒸发殆尽的事实)。微小的扰动都会使“黑弦”发生变化,成为一串由黑弦丝连接起来的球形黑洞,直到“黑弦”完全断裂,留下无数黑洞。而后这些四维黑洞聚集起来演变成为一个更大的黑洞。最有趣的是,使用当前模型,人们发现最后形成的黑洞是一个“裸奇点”。也就是说,在它周围不存在“事件视界”(event horizon)。这一点违背了“宇宙审查假说”(Cosmic Censorship Hypothesis),因为“宇宙审查假设”认为,所有奇点的周围必须有“事件视界”的存在,不然奇点附近就会发生时空穿越,从而改变整个宇宙的历史。但如果有“事件视界”的存在,这样的现象就不会发生。

6. 真子(Geon

爱因斯坦的质能方程E=mc2揭示了能量与物质之间的密切关系,且物质的能量与质量相结合就会创造出一个引力场。1955年,约翰·惠勒(John Wheeler)首次提出关于“真子”(geon,g指引力gravity,e指电磁力electronmagnetism,on是代表粒子的后缀)的设想,“真子”是一束电磁波或引力波,它的能量会产生一个引力场,而产生的引力场反过来又把电磁波或重力波约束在一定的空间内。惠勒猜想,微观真子与基本粒子之间可能存在着某种关联,甚至它们可能本就是同一种物质。一个更为极端的例子就是“球状闪电”(kugelblitz),聚集成粒子大小的强光释放的能量更为集中,所产生的引力也就更为强大,以致引力坍塌成为黑洞,将强光困于其中。尽管人们认为没有物质能够阻止“球状闪电”的形成,但这样的“真子”只能短暂存在,因为它们的能量瞬生瞬灭。不幸的是,这就表明惠勒最初的猜想是错误的,但这一点迄今为止还没得到确切证实。

5.克尔黑洞(Kerr Black Hole

大多数人所熟悉的黑洞类型实际上有一个更具体的名称,即“史瓦西黑洞”(Schwarzschild black hole),在它的周围有一个充当“无归点”(point of no return)的事件视界,物质一旦进入其中就不能逃逸而出,黑洞里面则有一个无限密度的奇点。这个黑洞类型是以卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)命名的,1915年,他找到了爱因斯坦引力场方程的数学解,将黑洞设定为不旋转的球状物体,这个理论的提出距离爱因斯坦发表广义相对论只有一个月时间。但是,直到1963年,数学家罗伊·克尔(Roy Kerr)才为旋转球状物找到一组精确解。因此,旋转黑洞就被称为“克尔黑洞”,它有一些非同寻常的性质。

在克尔黑洞的中心没有奇点,只有一个奇环(ring singularity)——旋转的一维环状物,它依靠自身动量维持打开状态。克尔黑洞由内外两个视界和一个椭圆形能层(ergosphere)组成,能层之中的时空随着黑洞超光速旋转(由于参考系拖拽效应)。当物体经由外视界进入黑洞,“空间路径”(space-like paths)就变成“时间路径”(time-like paths),恰似在普通空间中的“时间”一样,物体只能向前行进,这意味着物体不可避免地会撞到黑洞中心的奇环之上,这和史瓦西黑洞原理相类似。但是,当穿过内视界之时,物体就会再次朝着“空间路径”行进,前进方向可以发生改变。两者之间的区别在于:时间与空间发生了对换。这意味着奇环附近的引力具有排斥作用,将物体推离黑洞中心。实际上,只要物体不是恰好进入奇环所在的赤道面(奇环的赤道面上不存在斥力),那它就不可能会撞上奇环。此外,由于奇环之间可以通过时空相连,因此它们可以充当穿越时空的“虫洞”(wormholes),但物体却不可能从黑洞的另一边逃逸而出(除非它是因奇环自转速度过大而产生的裸奇点)。你也许可以通过奇环进入另一个时空,或是另一个宇宙,在这里,你只会看见从黑洞外进入的光,而不会看见从黑洞内出去的光。你甚至还可以通过奇环进入负宇宙(negative universe)中的“白洞”(white hole),但“白洞”目前还仅是一种理论模型,尚未被观测所证实。

4.量子隧穿(Quantum Tunneling

量子隧穿效应是指粒子能够穿过它们本来无法通过的“壁垒”。量子隧穿效应可以使粒子跨越原本无法穿透的物理障碍,或使没有足够动能的电子摆脱原子核的引力。根据量子力学,任何粒子都可以概率性地出现在宇宙各个区域,尽管由于粒子总是与所预期的路径相距甚远,可是这种概率微乎其微。

因此,当粒子遇到一个足够小的壁垒(约1-3纳米宽)时,尽管理论上不能逾越,但实际上粒子却极有可能穿越而过。这可以用海森堡测不准原理(Heisenberg uncertainty principle)加以解释,该原理表明作为测量工具的其他粒子束与被测粒子在同一个单位量级,所测出的数据是破坏被测粒子原来状态之后的结果,因此我们所获得的粒子信息是有限的。粒子可以从它所在系统“借取”能量,以穿越壁垒,然后再将能量“返还”。

许多物理过程中都涉及有量子隧穿效应,比如放射性衰变(radioactive decay)与太阳核聚变(nuclear fusion)。量子隧穿也能被用于某些电子元件之中,甚至还可以使生物系统中的酶加快反应速率,以在葡萄糖转化为过氧化氢的反应中起催化作用的葡萄糖氧化酶为例,其催化过程就涉及有氧原子的量子隧穿。此外,它还是扫描穿隧式显微镜(scanning tunneling microscop)的一个显著特点,这种显微镜是第一个可以对单个原子进行成像和操纵的仪器。它用一根精密针尖对隧道电流的电压进行测量,当针尖靠近样品表面时,由于电子在通过针尖与样品之间的真空处(被称为“禁区”)时会产生量子隧穿效应,电压也随之变化。这需要仪器足够灵敏,如此才能拍摄高分辨率的图像,同时,利用显微镜的导电针尖,还可以实现对原子的移动。

3.宇宙弦(Cosmic Strings

大爆炸之后不久,宇宙仍然处于极度混乱的无序状态之中。这意味着微小的变化或缺陷并不足以撼动整个宇宙的结构。但当宇宙逐渐膨胀冷却,从无序进入有序之后,再小的波动都会带来巨大变化。

这就好比在地板上均匀地贴上瓷砖。只要有一块瓷砖放置不当,接下来的所有瓷砖都不能放置恰当。如此一来,整条线上的瓷砖都没放好。宇宙弦与此类似,它是宇宙空间和时间拓扑结构上的细长缺陷。大多数宇宙模型都预测了宇宙弦的存在,比如弦理论中就有提到两种互不干扰的“弦线”。如果它们确实存在的话,那每根弦将会是质子般大小,但密度却极其大。因此,一根英里长的宇宙弦其质量可比地球。但实际上它却不具有任何引力,其对周围物质的唯一影响在于改变了时空形态与结构。因此,宇宙弦在本质上就是时空结构上的一个“褶皱”。

人们认为宇宙弦长得不可思议,甚至可与银河长度相媲美。但实际上,最近的观察与模拟实验表明,宇宙弦交织而成的弦线网可延伸覆盖整个宇宙。人们曾经甚至认为宇宙弦促成了超星系团的出现,但这个想法现在已经被舍弃。超星系团是诸多星系“细丝”(filaments)相连而成,长度可达十亿光年。由于宇宙弦可能会造成时空扭曲,因此当你将两根宇宙弦拉近时,会产生可供时间旅行的引力。此外,宇宙弦还可以产生最强引力波,目前计划制造的引力波探测器便是用于探测这种最强引力波。

2.反物质因果逆向(Antimatter Retrocausality

反物质指的是正常物质的反状态,与正常物质的质量相等,电荷相反。约翰·惠勒(John Wheeler)和诺贝尔奖得主理查德·费曼(Richard Feynman)认为物理体系中应该存在时间倒流的现象,基于此,他们提出了一个相关理论,以解释反物质之所以能够存在的原因。例如,如果太阳系中的轨道运行方向发生逆转,那它向后运行的规律与之前向前运行的规律并无二致。由此滋生了这样一种理论,即反物质不过是在时间轴上逆行的正物质,这就解释了反粒子携带相反电荷的原因,因为如果一个在时间轴上向前运行的电子遭到排斥,那当它在时间轴上向后运行时就会受到吸引。这也正好解释了正反物质为什么会消失,并不是因为两个物质相撞后互相抵消,而是因为它们本来就是同一种粒子,反物质不过是在时间轴上逆行回去的正物质而已。在真空中的一对虚拟离子产生然后消失,实质上只是一个粒子在时间轴上来回往复的运动,先向前进,然后再向后退,如此无止无休地循环下去。

虽然将反物质看作是正物质在时间上的逆行这个理论的准确性还尚存争议,但它却可以为其他一些更富争议的物理观点提供理论参考。当这个理论第一次被提出时,约翰·惠勒就曾说过,也许这个理论可以解释一个显而易见却被人们忽略的问题——为什么所有电子都具有相同特性?惠勒认为,这是因为宇宙中本来就只有一个电子,它从大爆炸开始,就在时间轴上正向行进,直到宇宙的末日,又掉头回去,在时间里逆行,逆行到宇宙之初,如此循环往复,无止无休。尽管这个理论涉及时间倒流,但数学模型却不允许我们利用这一点向过去传递信息,我们不能对反物质施加任何影响以改变过去,因为那样只会影响到反物质的过去,即你的未来。

1.哥德尔不完备定理(G?del’s incompleteness theorems)

严格说来,这个理论并非属于科学范畴,而是一组非常有趣的关于逻辑与哲学的数学定理,但逻辑、哲学与科学向来联系紧密。库尔特·哥德尔(Kurt G?del)于1913年证明了这组定理,它指出,除了最简单的定理之外,任何一组给出的逻辑定理都不可避免地会涉及到自我引证(self-referential),即稍稍复杂点的定理都会包含有既不能被证明也不能被否定的不确定命题。这就意味着数学上不存在这样一个能够证明或否定所有命题的统一体系。这样的不确定命题可以看做是数学界的“说谎者悖论”,因为这个命题所指涉的引证是命题本身,因此我们无从判断这个命题的真伪。但是,不确定命题并不单是指自我引证的命题。哥德尔不完备定理得出的主要结论是,所有逻辑体系都存在有不能被证明或否定的命题。因此,所有逻辑体系都 “不完备”。

这组定理在哲学方面影响甚广,并且它也表明物理学中的“万有理论”不可能实现,因为能够解释所有可能事件或结果的定理根本不存在。同时,这组定理也告诉我们,“可证”(proof)与“真”(true)在逻辑上是两个概念,可证的一定是真的,但真的不一定可证。科学家对此颇感不安,因为这就意味着许多定理即使是真的也得不到证实。这组不完备定理甚至适用于计算机,这意味着我们的思想也是不完备的,并且这个世界上有许多观念我们永远无法了解,包括我们的思想是否具有相容性(如我们的理性是否自相矛盾)。这是因为哥德尔不完备定理的第二点提到,没有任何公理系统可以证明它自身的相容性,也即是说,没有人能够证明自己神志正常。此外,不完备性定理还指出,任何可以证明自身相容性的公理系统都是不相容的,因此,任何可以证明自己神志正常的人都是精神病人。

翻译/李念  via listverse

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